（材料加工工程专业论文）镁合金钎焊接头组织与力学性能研究.pdf

， ， l 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名： 摘要 摘要 本论文从镁合金a z 3 1 b 的钎料设计出发，研究了镁合金钎料的显微组织和 组成相，阐述了钎料和母材a z 3 1 b 之间发生的钎焊反应机理，研究了镁合金钎 焊接头的显微组织形貌和组成相，揭示了钎缝的显微组织和组成相形成的原因。 并对钎焊接头的力学性能进行了测定。探讨了钎缝中金属间化合物 3 - m g l 7 ( a l ，z n ) 1 2 和共析体组织a m g + m g z n 的体积分数对钎焊接头力学性能的影 响规律。 从钎料的基本设计原则出发，设计了铝基和锌基两类钎料，用以上钎料对变 形镁合金a z 31b 在氩气保护条件下进行了高频感应钎焊。 铝基钎料的温度熔化区间为4 4 5 , - 一4 6 2 。c ，锌基钎料的温度熔化区间为3 3 6 - - 4 5 3 。两种铝基钎料舢2 9 7 m g 1 3 7 z n 和a 1 3 6 1 m g 1 1 2 z n 的组成相都是均一 的m 9 3 2 ( a 1 ，z n ) 4 9 相。三种锌基钎料中z n 1 9 2 a 1 钎料组成相是z n 固溶体和a l 固溶体。z n 1 6 3 a 1 8 8 m g 钎料组成相是m g z n 2 相、a l 固溶体和z n 固溶体， z n 一4 4 2 m g 一2 9 a 1 钎料组成相是m g 固溶体、m g z n 相、m g z n 2 相。 钎焊过程中，液态钎料和母材镁合金a z 3 1 b 发生了强烈的合金化作用。 铝基钎料钎焊接头钎缝合金由铝基钎料成分转变为镁基合金成分，铝基钎料 的m 9 3 2 ( a 1 ，z n ) 4 9 相被钎缝中生成的a m g 和p - m g l 7 ( a 1 ，z n ) 1 2 相取代。在钎缝中， 粗大的p - m g l 7 ( a 1 ，z r l ) 1 2 相呈现连续和不连续状分布在a - m g 基体周围。锌基钎料 钎焊接头钎缝合金由锌基钎料成分转变为镁基合金成分，锌基钎料中的 z n 1 9 2 舢、z n 1 6 3 a 1 8 8 m g 钎料，在钎焊接头钎缝中原有的锌基钎料显微组织 形貌和相组成消失，z n 1 9 2 a 1 钎料中的z n 固溶体和舢固溶体被钎缝中生成的 a m g 和m g z n 相取代。z n - 1 6 3 a 1 8 8 m g 钎料中的m g z n 2 相、a l 固溶体和z n 固溶体被钎缝中生成的q m g 和m g z n 相取代。z n 4 4 2 m g 2 9 a 1 钎料中的m g 固溶体、m g z n 相、m g z n 2 相在钎焊后只有m g z n 2 相消失，在钎缝中只剩下m g 固溶体和m g z n 相，显微组织形貌发生了较大变化。在钎缝中，粗大的 a m g + m g z n 共析体组织呈现连续和不连续状分布在a m g 基体周围。 所有钎焊对接和搭接接头的拉伸断口均表现为较明显的沿晶脆性断裂特性。 铝基钎料钎焊接头断裂主要产生在沿q m g 晶界网状分布的粗大1 3 m g l 7 ( a 1 ，z n ) 1 2 硬脆相处。锌基钎料钎焊接头断裂主要产生在沿0 【m g 晶界网状分布的粗大 0 【m g + m g z n 共析体组织处。 减少金属间化合物1 3 - m g l 7 ( a 1 ，z n ) 1 2 的体积分数可以提高钎焊接头力学性能， 性能优良的舢3 6 1 m g 1 1 2 z n 钎料钎焊对接接头平均抗拉强度为7 1 m p a ，搭接 接头平均抗剪强度为4 4 m p a 。减少共析体组织0 【m g + m g z n 的体积分数可以提高 钎焊接头力学性能，性能优良的z n 4 7 0 m g 一3 0 a 1 钎料钎焊对接接头平均抗拉强 度为7 7 m p a ，搭接接头平均抗剪强度为5 6 m p a 。 t l- 北京下业人学下学博十学位论文 关键词：钎焊；钎料；显微组织；力学性能；体积分数 r e q u i r e m e n to ft h em a g n e s i u ma l l o yb r a z i n g t h ed e s i g nf i l l e rm e t a l si n c l u d et w o a 1 b a s ef i l l e rm e t a l sa n dt h r e ez n b a s ef i l l e rm e t a l s t h em e l t i n gr a n g ei s4 4 5 - 4 6 2o c f o ra 1 b a s ef i l l e rm e t a l s t h em e l t i n gr a n g ei s3 3 6 - 4 5 3o cf o rz n b a s ef i l l e rm e t a l s t h ep h a s ec o n s t i t u t i o no ft w oa 1 b a s ef i l l e r m e t a l s ( a 1 2 9 7 m g 1 3 7 z na n d a 1 - 3 6 1m g - 1 1 2 z n ) i sh o m o g e n e o u s l yd i s t r i b u t e dm 9 3 2 ( a 1 ，z n ) 4 9p h a s e w 1 1 i l ef o rt h e z n b a s ef i l l e rm e t a l t h ep h a s ec o n s t i t u t i o no fz n 19 2 a lf i l l e rm e t a li sz ns o l i d s o l u t i o nc o m b i n e dw i t ha 1s o l i ds o l u t i o n t h ep h a s ec o n s t i t u t i o no f z n 1 6 3 a 1 8 8 m g f i l l e rm e t a li sm g z n 2p h a s e ，a 1s o l i ds o l u t i o na n dz ns o l i ds o l u t i o n t h ep h a s e c o n s t i t u t i o no fz n - 4 4 2 m g - 2 9 a 1f i l l e rm e t a li so 【一m gs o l i ds o l u t i o n ，m g z np h a s e ， m g z n 2p h a s e f o ra l lt h ef i l l e rm e t a l i tw a sf o u n dt h a ta i li n t e n s i v ea l l o y i n gr e a c t i o no c c u r r e d b e t w e e nt h em o l t e nf i l l e rm e t a la n dt h eb a s em e t a la z 31bi nt h eb r a z i n gp r o c e s s i n t h ec a s eo fa 1 - b a s ef i l l e rm e t a l t h ed i s s o l u t i o no fm g1 e a d st h ea 1 - b a s ef i l l e rm e t a lt o b et r a n s f o r m e di n t o m g b a s e b r a z i n gm e t a l n eh o m o g e n e o u s l y d i s t r i b u t e d m 9 3 2 ( a 1 ，z n ) 4 9p h a s ei nt h eo r i g i n a la 1 一b a s ef i l l e rm e t a lw a sc o n s u m e di nt h eb r a z i n g p r o c e s s ，a n dr e p l a c e db y0 【一m ga n d1 3 - m g l 7 ( a 1 ，z n ) 1 2p h a s e sf o r m e di nt h eb r a z i n g r e g i o n 1 1 1 e c o a r s ep - m g l 7 ( a 1 ，z n ) 1 2p h a s ei s c o n t i n u o u s l y o r d i s c o n t i n u o u s l y d i s t r i b u t e da tt h eb o u n d a r yo ft h ea m gg r a i n s i nt h ec a s eo fz n - b a s ef i l l e rm e t a l t h ed i s s o l u t i o no ft h em g1 e a d st h ez n b a s e f i l l e rm e t a lt ob et r a n s f o r m e di n t om g b a s eb r a z i n gm e t a l f o rz n 19 2 灿f i l l e rm e t a l a n dz n - 16 3 a 1 8 8 m gf i l l e rm e t a l t h em i c r o s t r u c t u r ea n d p h a s e c o n s t i t u t i o n i i i 北京t 业大学工学博一 ：学位论文 曼曼ii 鼍皇皇曼寡曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼苎舅曼曼! 曼曼曼! 曼曼詈曼曼皇曼曼皇皇量曼曼曼量曼曼曼皇蔓! 曼蔓蔓 d i s a p p e a r e dt oa f t e rt h eb r a z i n gp r o c e s s w h i l ef o r z n - 19 2 a lf i l l e rm e t a l ，t h eo r i g i n a l z ns o l i ds o l u t i o na n da 1s o l i ds o l u t i o nw e r ec o n s u m e d ，a n d0 【m ga n dm g z np h a s e w e r ef o r m e di nt h eb r a z i n gr e g i o n m g z n 2p h a s e ，a is o l i ds o l u t i o na n dz ns o l i d s o l u t i o ni nt 1 1 ez n 16 3 a 1 8 8 m gf i l l e rm e t a lw e r er e p l a c e db yq - m ga n dm g z np h a s e a r e rt h eb r a z i n gp r o c e s s i nt h ez n 4 4 2 m g - 2 9 a if i l l e r m e t a lw i t hq m gs o l i d s o l u t i o n ，m g z np h a s e ，m g z n 2p h a s e ，o n l ym g z n 2p h a s ed i s a p p e a r e di nt h eb r a z i n g p r o c e s s t h e0 【一m gs o l i ds o l u t i o na n dm g z np h a s ew e r er e t a i n e d m i c r o s t r u c t u r eo f t h eo r i g i n a lz n 4 4 2 m g 2 9 a 1f i l l e rm e t a lh a sv e r yg r e a tc h a n g e i nt h eb r a z i n gr e g i o n ， t h ec o a r s ea - m g + m g z ne u t e c t o i ds t r u c t u r ew a sc o n t i n u o u s l yo rd i s c o n t i n u o u s l y d i s t r i b u t e do nt h eb o u n d a r yo ft h e0 【- m gs o l i ds o l u t i o n b o t ht h e1 a pj o i n ta n dt h eb u t tj o i n to b v i o u s l ye x h i b i t e da ni n t e r g r a n u l a rf r a c t u r e m o d e f o rt h eb r a z e d o i n tu s i n ga 1 b a s ef i l l e rm e t a l ，t h ec r a c ko r i g i n a t e df r o m 1 3 - m g l 7 ( a 1 ，z n ) 1 2h a r dp h a s eo n t h eb o u n d a r yo ft h e0 【- m gs o l i ds o l u t i o ni nt h eb r a z i n g r e g i o n f o rt h eb r a z e dj o i n tu s i n gz n b a s ef i l l e rm e t a l ，t h ec r a c ko r i g i n a t e sf r o mt h e h a r da - m g + m g z ne u t e c t o i ds t r u c t u r eo nt h eb o u n d a r yo f t h e0 【一m gs o l i ds o l u t i o ni n t h eb r a z i n gr e g i o n f o rt h eb r a z e dj o i n tu s i n ga 1 b a s ef i l l e rm e t a l ，i tw a ss h o w n t h a tt h el o w e rt h e p m 9 1 7 ( a 1 ，z n ) 1 2p h a s ev o l u m ef r a c t i o ni s ，t h eh i g h e rt h eb r a z e dj o i n ts t r e n g t hi s f o r t h eb r a z e dj o i n tu s i n ga 1 - 3 6 1 m g 一11 2 z nf i l l e rm e t a l ，t h ea v e r a g et e n s i l es t r e n g t hi s 71m p af o rt h eb u t ti o i n t ，4 4m p af o rt h el a pj o i n t f o rt h eb r a z e dj o i n tu s i n gz n b a s ef i l l e rm e t a l ，i tw a ss h o w n t h a tt h el o w e rt h e 0 【m g + m g z ne u t e c t o i ds t r u c t u r ev o l u m ef r a c t i o ni s ，t h el l i 曲e rt h eb r a z e dj o i n t s t r e n g t hi s f o rt h eb u t tj o i n tu s i n gz n 一4 4 2 m g 一2 9 a 1f i l l e rm e t a l ，t h ea v e r a g et e n s i l e s t r e n g t hi s7 7m p a f o rt h eb u t tjo i n t ，w h i l et h ea v e r a g eo ft h es h e a rs t r e n g t hi s5 6m p a f o r t h el a pj o i n t k e yw o r d s ：f i l l e rm e t a l ；b r a z i n g ；m i c r o s t r u c t u r e ；m e c h a n i c a lp r o p e r t i e s ；v o l u m e f r a c t i o n i v 第2 章镁合金钎料的设计和试验方法15 2 1 镁合金母材及其显微组织15 2 2 镁合金钎料成分设计16 2 2 1 钎料的选用原则1 6 2 2 2 钎料和母材之间的相关系1 6 2 2 3 镁合金钎料成分的设计17 2 3 镁合金钎料制备及钎焊试验方法2 l 2 3 1 镁合金钎料合金的熔炼2 l 2 3 2 镁合金钎料合金成分分析2 2 2 3 3 试验设备及钎焊装置。2 3 2 3 4 感应线圈的设计2 4 2 3 5 钎焊温度的控制及测定2 5 2 3 6 分析测试设备及方法一2 5 2 3 7 钎焊接头尺寸的设计2 5 2 3 8 钎焊工艺的制定2 7 v 北京工业大学t 学博士学位论文 2 4 本章小结2 7 第3 章镁合金钎料的显微组织及铺展性2 9 3 1 钎料的熔化特性2 9 3 1 1 试验方法。2 9 3 1 2 试验结果与分析2 9 3 2 钎料的显微组织及物相分析3 1 3 2 1 舢基钎料显微组织分析3 2 3 2 2 灿基钎料物相分析3 4 3 2 3z n 基钎料显微组织分析3 5 3 2 4z n 基钎料物相分析3 8 3 3 钎料的润湿及铺展3 9 3 3 1 钎料的润湿作用4 0 3 3 2 铺展试验4 0 3 3 3 铺展面积及铺展角4 2 3 4 本章小结4 3 第4 章镁合金钎焊接头显微结构及钎焊机理研究4 5 4 1 舢基钎料钎焊接头显微组织分析4 5 4 1 1 砧基钎料钎焊接头界面显微组织分析。4 5 4 1 2a l 基钎料钎焊接头界面线扫描分析4 6 4 1 3a l 基钎料钎焊接头钎缝物相分析4 9 4 2z n 基钎料钎焊接头显微组织分析5 l 4 2 1z n 基钎料钎焊接头界面显微组织分析51 4 2 2z n 基钎料钎焊接头界面线扫描分析5 3 4 2 3z n 基钎料钎焊接头钎缝物相分析5 5 4 3 镁合金钎焊机理分析6 2 4 3 1 镁合金固态母材向液体钎料的溶解6 2 4 3 2 钎料组分向镁合金母材的扩散。6 3 4 3 3 镁合金钎焊接头钎缝组织的凝固过程分析6 3 4 4 本章小结6 5 v i 目录 第5 章钎缝显微组织对镁合金钎焊接头力学性能的影响6 7 5 1 钎焊接头硬度分析6 7 5 1 1 舢基钎料钎焊接头硬度分析。6 7 5 1 2z n 基钎料钎焊接头硬度分析6 8 5 2 钎缝显微组织体积分数对镁合金钎焊接头力学性能的影响6 9 5 2 1 钎焊接头强度试验6 9 5 2 2 金属间化合物体积分数对a l 基钎料钎焊接头力学性能的影响7 0 5 2 3 共析体组织体积分数对z n 基钎料钎焊接头力学性能的影响7 1 5 3 钎焊接头断口形貌分析7 2 5 3 1 舢基钎料钎焊接头断口形貌分析7 2 5 3 2z n 基钎料钎焊接头断口形貌分析7 5 5 4 本章小结8 l 结j 沦8 3 参考文献8 5 攻读博士学位期间发表的学术论文9 9 至殳谢10 1 v i i 北京t 业大学工学博_ i 学位论文 v i i i 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题研究背景 镁具有低密度、高比强度、高i ：l i 习u 度、良好的阻尼减震性、导热性、可切削 加工性和可回收性等特点，被称为二十一世纪的“绿色 工程材料。因此，镁及 其镁合金在航空航天、交通运输和电子工业等领域有着重要的应用价值【l 叫。 随着许多金属矿产资源的日益枯竭，镁以其资源丰富而日益受到重视，镁及 其镁合金与其它金属相比所具有的一系列优点，使其在交通运输、电子电器、航 空航天和国防军事工业等领域具有极其重要的应用价值和广阔的应用前景，特别 是结构轻量化技术和环保问题的需求更加刺激了镁工业的发展【7 - 9 1 。目前，镁及 镁合金材料的研究、开发和应用，已成为世界性的课题与普遍关注的热点。特别 是二十世纪八十年代以来，出于对环境和能源问题的考虑，工业发达国家相继制 定了各自的镁研究计划，并投入了巨额资金开展研究。我国自二零零一年开始制 定了镁合金开发与应用及产业化的“十五”科技攻关计划，并于二零零六年制定 了镁及镁合金关键技术与应用的“十一五”科技支撑计划，取得了一系列科研和 产业化成果。然而，由于镁属于密排六方的结构金属，塑性变形能力差，加工成 板、带、棒、型材困难，目前还未有能很好地解决加工成型问题以及镁合金纯净 化困难和耐腐蚀差等问题，从而导致镁合金开发和应用及产业化发展缓慢。 目前镁合金的研制和应用因其加工成形问题和耐腐蚀问题受到限制。镁合金 部件的生产与加工主要是利用其良好的铸塑性生产的压铸件。采用合理的焊接工 艺，可以加工结构更复杂、尺寸更大的镁合金部件，进一步扩大镁合金的应用范 围【1 0 1 4 】。由于镁合金具有熔点低，线膨胀系数及热导率较大，与氧、氮的亲和力 强，焊后易形成夹杂和脆性相，易产生焊接变形、裂纹、氧化燃烧和气孔等问题， 使焊接接头的力学性能下降，较难实现可靠连接，从而不易获得满意的焊接质量。 因此，镁合金结构件以及镁合金与其它材料结构件之间的连接已成为制约镁合金 广泛应用的障碍和急待解决的关键技术之一。 钎焊作为材料连接方法中的一种，是当今高技术中一项精密的连接技术，在 许多行业得到广泛的应用。与熔焊方法不同，其采用了比母材熔化温度低的钎料， 钎焊时钎料熔化为液态而母材保持为固态，依靠液态钎料与固态母材间的相互扩 散形成冶金结合，获得牢固的接头。相对于熔焊与压焊，钎焊具有独特的优点： 钎焊加热温度一般远低于母材的熔点，因而对母材的物理化学性能通常没有明显 的不利影响；钎焊温度低，可对焊件整体均匀加热，引起的应力和变形小，容易 保证焊件的尺寸精度；有对焊件整体加热的可能性，使钎焊可以用于结构复杂、 开敞性差的焊件，并可一次完成多缝多零件的连接；容易实现异种金属、金属与 非金属材料的连接【l5 j ；对热源要求较低，工艺过程较简单。因此制备镁合金钎 1 6 2 3 ，接近理想的密排值1 6 3 3 ，室温滑移系少，冷加工成形困难。温度是影响 镁合金塑性变形能力的关键因素，低于4 9 8 k 时，多晶镁的塑性变形仅限于基面 0 0 0 1 ( 1 120 ) 滑移和锥面 1 0 1 2 ( 1 1 2 0 ) 孪生。镁合金变形时只有3 个几何滑移系 和2 个独立滑移系( 铝合金则有1 2 个几何滑移系和5 个独立滑移系) ，变形时易 在晶界处产生大的应力集中。当变形量较大时沿孪生区域( 尤其在压缩时) 或沿大 晶粒的基面 0 0 0 1 ，产生局部穿晶断裂，因而镁的塑性比铝的低。随着温度升高， 镁的滑移系会增多，在4 9 8 k 以上，会发生( 1 0 1 1 ) 面上 1 1 芝o 方向滑移，使塑性 得到明显提耐1 6 】。镁合金的弹性模量较小( 一般室温下为4 5 g p a ) ，因此其结构件 能承受更大的冲击载荷和具有较好的减震性能。未经处理的镁合金耐腐蚀性能较 差，另外其抗蠕变性能较差，这些问题制约着镁合金的发展，也是目前材料界研 究的热点。 随着工业技术的高速发展，对汽车、飞机的性能要求越来越高，对其产品所 使用的材料及性能提出了更高的要求。同时，降低能源消耗、减少环境污染、节 约地球有限资源已成为产品设计师面临的十分重要与紧迫的任务，在这一背景 下，被认为二十一世纪最具开发和应用潜力的“绿色材料”的金属镁受到了极大的 关注。镁在地球中的储量极其丰富。且近年来，随着镁合金生产技术的完善成熟 和价格的不断降低，镁合金在航空航天、汽车、3 c 产品( 通信、计算机及电器) 、 军工产品等领域的广泛应用推动了镁合金产业的发展，镁合金正在成为新的结构 材料而成为人们在产品材料上的首选1 2 m 州。 作为高性能轻型结构材料，与其它材料相比，镁具有许多优点。如镁比重小， 2 7 3 k 下的电导率 1 1 0 6 ( q m ) 1 再结晶温度 熔点k 镁单晶的线膨胀系数 沿a 轴1 0 - 6 k 1 沿c 轴1 矿k 1 熔化潜热心k g - 1 9 5 4 k 下的表面张力n m 。1 对光的反射率 ，冈5 0 0 u r n 扣1 0 0 0 u m a - - 3 0 0 0 u m 九- - - 9 0 0 0 u m 收缩率 固一液 熔点至室温慌 7 2 7 4 8 0 9 3 4 2 5 导热导电性、切削性，特别是无污染易于再生回收利用。由于性能良好，镁合金 在机械、化工、交通、航天航空、核工业、石油设备等领域具有十分广阔的应用 前景，世界各国越来越重视对镁的开发利用。目前，国内外镁合金用量持续增长， 据文献介绍近年来镁合金的应用每年以2 5 的速度递增1 2 5 1 ，已经远大于钢铁、 铝合金、锌及铜等材料的增长速度，特别是低成本、高强高韧、抗疲劳的高性能 的镁合金更是有着巨大的应用潜力，因此，镁及镁合金材料具有极大的市场前景。 筋 仍 础 m 蝴 懒 z 铊 抖 鼽 北京t 业大掌t 掌博十掌位论文 我国是镁资源大国、镁生产与出口大国，镁合金将成为今后我国高新技术产业最 有希望大量采用的金属材料。因此，伴随着镁合金加工、制备技术的日臻完善， 我国高性能镁合金的产业应用即将来临。 镁合金产品广泛应用于汽车行业始于2 0 世纪9 0 年代，为了达到轻量、低耗 的目的，镁合金在汽车等领域的应用范围逐渐扩大。据有关专家预计，1 0 年后 每辆汽车中镁合金的重量将增至5 0 6 0 公斤。镁合金在汽车工业中主要用于制造 驾驶盘、仪表板、转向轴、车轮、底盘、变速箱、发动机焊件、座椅架、离合器 外壳等2 6 之9 1 。 镁合金除了以上应用外，镁合金的型材、管材以前主要用于航空航天等尖端 或国防领域等方面，近几年由于镁合金生产能力和技术水平的提高，极大地刺激 了其在民用领域的应用。国外近些年还出现了采用镁合金制造高档豪华型建筑装 饰材料的趋势1 3 0 - 3 5 】。另外，轮椅、康复和医疗器械及健身器材也开始大量使用镁 合金型材。 1 3 镁合金焊接研究现状 金属焊接性是指金属是否能适应焊接加工而形成完整的、具备一定使用性能 的焊接接头的特性。迄今为止，有关镁合金焊接性系统地研究工作不多，镁合金 焊接研究更多地集中于焊接方法的适应性。 镁合金的铸造和镁合金零部件的制造都离不开焊接，铸件缺陷的修补也离不 开焊接。二战初期，镁合金第一次采用连接技术被用作结构材料。战后人们主要 在电弧焊方法的应用方面进行了大量的研究。英国焊接研究所( r w i ) 对镁合金与 铝合金、镁合金与钢材的连接方法和工艺进行了研究，重点开展了点焊、摩擦焊 及镁合金铝合金异种材料的激光焊研究。目前，随着新型焊接技术、焊接材料 的发展，镁合金的应用领域正日益扩大【l 引。 由于镁合金具有密度和熔点低，热导率、电导率及热膨胀系数大，化学活性 强，易氧化且氧化物的熔点高等特点，使镁合金的焊接必须解决以下一系列问题 【1 5 ，1 6 】： 1 氧化与蒸发：镁的氧化性极强，易同氧结合，在焊接过程中易形成m g o ， m g o 熔点高( 2 5 0 00 c ) ，密度大( 3 2 9 e r a 3 ) ，易在焊缝中形成细小片状固态夹渣， 不仅严重阻碍焊缝成形，也降低焊缝性能。镁在焊接高温下，还易与空气中的氮 化合生成镁的氮化物，氮化镁夹渣也会导致焊缝金属的塑性下降，使接头性能变 坏。镁的沸点不高( 1 1 0 0 c ) ，在电弧高温下很易蒸发。 2 粗晶：镁的熔点低，热导率高，焊接时需采用大功率的焊接热源，焊缝 及近缝区易产生过热、晶粒长大、结晶偏析等现象，降低了接头性能。 3 薄件的烧穿与塌陷：在焊接薄件时，由于镁合金熔点较低，而氧化镁的 熔点很高，两者不易熔合，焊接操作时难以观察焊缝的熔化过程。当温度升高时， i l 第1 覃绪论 熔池的颜色也没有显著变化，极易产生烧穿和塌陷现象。 4 热应力和裂纹：镁及镁合金热膨胀系数较大，约为钢的2 倍，铝的1 2 倍，在焊接过程中易引起较大的焊接应力与变形。镁易与一些合金元素( 如c u 、 m 、n i 等) 形成低熔点共晶体( 如m g c u 共晶点温度为4 8 0 ，m g a 1 共晶点温度 为4 3 7 ，m g - n i 共晶点温度为5 0 8 ) ，脆性温度区间较宽，易形成热裂纹。研 究发现，当z n 的质量分数 1 时会提高热脆性，并可能导致焊接裂纹。在镁中 加入舢的质量分数茎1 0 ，可细化焊缝晶粒，改善焊接性。含少量t h 的镁合金 具有良好的焊接性，无裂纹倾向。 5 气孔：镁合金钎焊时易产生氢气孔，氢在镁中的溶解度也是随温度的降 低而急剧减小。 6 镁及其合金在空气环境下焊接时易氧化燃烧，熔焊时需用惰性气体或焊 剂保护。 镁合金的焊接方法主要有：钨极惰性气体保护焊( t i g ) 、熔化极惰性气体保 护焊( m i g ) 、激光焊( l b w ) 、激光电弧复合焊( h y b r i dl a s e r - a r cw e l d i n g ) 、真空 电子束焊( e b w ) 、电阻点焊( r s w ) 、搅拌摩擦焊( f s w ) 、扩散焊( d w ) 、钎焊( b r a z i n g o rs o l d e r i n g ) 等等。与铝合金相比，镁合金在焊接时更易形成疏松、热脆性较大 的氧化膜及夹渣，镁合金的特殊性质使镁合金在焊接过程中会产生一系列的困 难，使其焊接工艺更为复杂。镁合金的热膨胀系数大，在熔化焊时易产生焊接裂 纹、焊后变形等缺陷，需要采用夹具固定、坡口预处理、焊前焊后热处理等措施， 以保证获得性能良好的焊接接头。 钨极氩弧焊在镁合金焊接中是最常用的焊接方法，由于常规的t i g 焊的单 道焊缝熔深较浅，熔敷率低，一般都用于镁合金薄板的焊接。钨极氩弧焊时，电 极和填充丝独立，可以在较大焊接规范条件下进行稳定焊接。为了满足人们对高 质量高效率焊接的追求，获得较大的熔深，a t i g 焊接法( a c t i v a t i n gf l u xt i g ， 活性钨极氩弧焊) 逐渐进入了研究应用领域。目前应用在镁合金的a t i g 活性剂 主要是一些金属氯化物，例如：l i c l ，c a c l 2 ，c d c l 2 ，p b c l 2 和c e c l 3 等。与常 规t i g 焊相比，采用a t i g 活性剂能够使焊缝熔深增加一倍。关于活性剂可以 使焊缝熔深增加机理的研究方面，尽管利用活性剂增加t i g 焊熔深已在实践中 得到了应用，但对活性剂增加熔深的机理仍然不清楚。推测认为，这主要是由于 氯化物的添加增大了电弧电压和电弧温度，而且在焊接方向上增大了电弧的宽 度，使得焊接过程中在增大热输入的同时伴随着热流的重新分布【3 6 】。 熔化极氩弧焊是采用连续给送焊丝( 金属丝) 作为电极，在氩气流的保护下， 依靠焊丝与焊件之间产生的电弧熔化母材金属及焊丝的一种焊接方法。熔化极惰 性气体保护焊( m i g ) 比钨极氩弧焊的焊接规范范围窄，焊接速度要快，生产效率 高，但m i g 时焊缝中存在的一个重要缺陷就是热裂纹。镁合金属于典型的共晶 北京工业大学丁学博t 学位论文 型合金，易熔共晶体( 如p 相的m g l 7 a | 1 2 ) 的存在使得镁合金焊缝容易产生凝固 裂纹。 l o c k w o o d 等较早就进行了a z 3 1 b 镁合金薄板的m i g 焊接试验，并探讨了 各工艺参数对焊缝成型的影响，分析了焊接缺陷的形成原因。w o h l f a h r th 等人 研究了a z 3 1 、a z 6 1 板材的m i g 焊接头的性能。研究结构表明接头的抗拉强度 可达到母材强度的8 0 1 0 0 ，在弯曲应力作用下的疲劳强度为母材强度的 5 0 ，去除余高后的疲劳强度可达母材的7 5 。 f u j i em s a t s u g u 等采用m i g 焊对1 6 m m 厚a z 3 1 镁合金板材进行了成功的焊 接。试验采用直流m i g 焊，填充金属为a z 6 1 ，焊接速度为3 m m i n ，焊接电流 和焊接速度对焊缝的外貌和宏观组织形态至关重要，接头的抗拉强度为2 5 0 m p a ， 为母材的9 8 ，而延伸率为6 ，远低于母材的延伸率 4 0 - 4 6 j 。 激光焊是利用高能量密度的激光束作为热源进行焊接的一种高效精密加工 方法。与其他熔焊方法相比，具有能量密度高，热输入低，焊缝残余应力和变形 小，熔深大，冷却速度高，焊缝组织细小等优点，但焊缝易产生气孔。m i k w x k i 和s h e a r o u s e 研究发现a z 9 1 合金中气孔的数量与合金的氢含量成正比，并且金 属间化合物m g l 7 a 1 1 2 对氢的阻碍作用有利于凝固阶段微气孔的形核和长大。z h a o h 和d e b r o yt 分析了激光焊接a m 6 0 b 镁合金时气孔的形成过程及补救措施。用 y a g 激光器焊接镁合金时，存在于基体中的气孔会随着焊接进行而逐渐扩展。 随着焊接速度的减小，激光能量的提高和热输入量的增加，熔池内气孔增多。国 内的大连理工大学及华中科技大学激光技术国家重点实验室对镁合金a z 3 1 b 激 光焊接工艺特点进行研究，探讨了焊接工艺参数对接头组织及性能的影响【4 7 ，4 引。 英国帝国大学s t e e nm 首次提出利用电弧辅助激光进行焊接。该技术综合了 激光与电弧的优点，将激光的高能量密度和电弧的较大加热区组合起来，同时通 过激光与电弧的相互作用，来改善激光能量的耦合现象( 焊件表面受能量激发产 生的等离子体吸收光子能量，使到达焊缝的能量减少) 和电弧的稳定性，以获得 一种综合的焊接效果。激光电弧复合焊接工艺克服了镁合金激光焊接时镁合金表 面吸收率低的缺点，同时降低了单独采用激光焊深熔焊时对阀值的要求，明显地 增加了熔深，增强了接头的桥接性，提高了焊接速度，降低了焊接成本。 大连理工大学刘黎明等对复合热源焊接a z 3 1 b 镁合金过程中熔深和表面成 型，以及电弧稳定性进行了研究，研究结果表明复合热源焊接熔深是同等焊接规 范下单独t i g 焊的2 倍左右，电弧稳定燃烧的最大速度也提高1 倍以上，复合 热源正向焊接比反向焊接熔深大，后者仅为前者的4 5 t 4 9 。5 2 j 。 与弧焊、激光焊、电子束焊等传统焊接方法相比，搅拌摩擦焊( f s w ) 具有 焊接温度低、接头残余应力小、焊接工件变形小等优点。由于搅拌摩擦焊的焊接 温度低于合金元素的熔点，从而避免了合金内易挥发性元素和低熔点元素的损 勇1 审绪论 失，接头内不易形成气孔和热裂纹等焊接缺附5 3 9 1 。由于搅拌摩擦焊的这些优点， 使得搅拌摩擦焊接头的力学性能明显提高，在镁合金的焊接应用上具有明显优 势，已有学者对多种镁合金进行了搅拌摩擦焊焊接试验。但搅拌摩擦焊焊速低， 焊件夹持要求高，焊缝末端形成的搅拌头残留孔洞需补焊或切除 6 0 - 6 3 1 。 电子束焊接( e b w ) 具有焊接速度快，热影响区小，焊接变形小，焊缝深 宽比大，焊缝纯洁度高等优点。然而，电子束焊接镁合金也存在一些典型的焊接 缺陷，如焊缝成型不良、冷隔等。电子束焊焊缝虽然比t i g 焊焊缝窄，但焊缝 形状特别是焊根的余高与母材过渡较陡峭，这对要求精密的装配是不允许的。焊 缝中易产生气孔，可在接头部位加入适量的填充金属或采用相同金属的垫板有助 于减少气孔。z n 含量超过1 时难以焊接，这是由于z n 的蒸气压高，易形成气 孔。c t c 1 1 i 对a z 系列镁合金进行了电子束焊接，比较系统的研究了a z 系列 镁合金电子束焊接接头的显微组织【6 4 确】。由于电子束设备复杂，费用较高，使其 在镁合金的焊接应用上受到限制。 镁合金板材或挤压板材电阻点焊与铝合金点焊所需要的焊接条件相似。它需 要大电流短时间的强焊接规范，这与镁合金电阻小、散热系数大有关。由于镁的 热膨胀系数大，在镁合金点焊过程中易出现较大变形。镁合金的表面状态对点焊 质量具有明显的影响，因此在点焊前必须对焊件进行清理，去掉其表面的铬化物 保护层和镁的氧化物。镁易与电极铜发生反应生成金属间化合物，使得电极与试 件发生粘附现象，影响焊点的质量。因此在点焊镁合金时要加强电极的冷却，同 时需要电极与工件接触面电阻均匀分布，不会因为电流的强烈集束作用而在接触 面上产生大量的电阻热，进而有效地改善电极粘附现象【6 7 】。 m g - a i 系和m g z n 系合金的电阻焊性能较好，m g m n 系合金次之。电阻点 焊一般用于低应力场合工件的焊接，也可用于高应力、振动小或无振动条件下的 镁合金板材和挤压件的焊接。 扩散焊是两焊件紧密贴合，在真空或保护气氛中在一定温度和压力下保持一 段时间，使接触面之间的原子相互扩散完成焊接的一种压焊方法，它属于固态焊 接技术的一种，具有无熔化过程、变形小、连接面积大、可以连接异种材料等诸 多优点。扩散焊的过程，共分三个阶段。在室温下焊接表面无论焊前如何加工处 理，贴合时只限于极少数凸出点接触。进入第一阶段，在温度和压力作用下粗糙 表面上首先在微观凸起点接触的部位开始塑性变形，并在变形中挤碎了表面氧化 膜，于是导致该接触点的面积增加和被挤平，净面接触处便形成金属键连接。其 余未接触部分就形成微孔( 空隙) 残留在界面上。第二阶段，原子持续扩散，而使 界面上许多微孔消失。与此同时，界面处的晶界发生迁移而离开原始界面，但仍 有许多小微孔遗留在晶粒内。第三阶段，继续扩散，界面与微孔最后消失形成新 的晶界，达到冶金结合，最后接头的成分趋于均匀，据报道，a z 3 1 合金在多种 北京工业人学工学博上掌位论文 条件下可以成功地实现扩散焊。于彦东根据原子扩散理论对m b l 5 超塑性镁合金 进行了扩散连接工艺研究，结果表明m b l 5 超塑性镁合金主要通过原始焊接表面 晶界的移动( 因原子扩散和晶粒长大造成的) ，促使接头表面原子充分扩散而形成 固相连接【6 8 。7 3 】。 1 4 镁合金钎焊研究现状 1 4 1 镁合金的钎焊 镁合金钎焊将主要应用于复杂、异型镁合金结构件或铸造件之间的连接，以 及密封容器( 如：冷凝器、热交换器、储液器、压力容器等) 之间的连接。但是， 目前镁合金的钎焊